Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ДЗФКХ07.doc
Скачиваний:
278
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
748 Кб
Скачать
☆

7. Поверхностные явления. Адсорбция

Адсорбцией называют самопроизвольное концентрирование веществ на поверхности раздела фаз. Вещество, которое адсорбирует другое вещество, называют адсорбентом. Для обозначения адсорбируемого вещества используют термин адсорбат.

Адсорбция описывается уравнением Гиббса

, (23)

где C– равновесная концентрация адсорбата в объеме,- поверхностное натяжение. Это уравнение справедливо для всех видов адсорбции.

В случае адсорбции газов уравнение Гиббса (23) приобретает следующий вид:

,

где p– равновесное парциальное давление адсорбата в газовой среде.

Для описания процесса адсорбции применяют также ряд других уравнений. Мономолекулярная адсорбция на однородной поверхности описывается уравнением Ленгмюра

, (24)

где K– константа адсорбционного равновесия

k a и k d – константы скоростей адсорбции и десорбции.

Для мономолекулярной адсорбции газов уравнение Ленгмюра (24) имеет вид:

.

Предполагая возможность идеального покрытия поверхности адсорбента мономолекулярным слоем адсорбата, по значениям площади сечения молекул адсорбата S 0 можно рассчитать предельную адсорбцию a :

,

где NA– число Авогадро.

Предельную адсорбцию aможно определить по графику зависимости (С / Г) =f (C), полученной преобразованием уравнения изотермы адсорбции Ленгмюра:

.

Зависимость адсорбции от концентрации адсорбата можно определить с помощью эмпирического уравнения Фрейндлиха

, (25)

где k,n– коэффициенты, определяемые экспериментально. Для этого прологарифмируем уравнение (25):

.

Зависимость lga-lgCхарактеризуется прямой линией, тангенс угла которой равен (1 /n), а отрезок, отсекаемый на оси ординат, равенlgk. Для адсорбции газов также справедливо уравнение Фрейндлиха, имеющее вид:

.

Адсорбция на границе жидкость – газ

Адсорбция приводит к изменению поверхностного натяжения жидкости . Вещества, снижающие в результате адсорбции поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно – активными (ПАВ). Вещества, поверхностное натяжение растворов которых по отношению к растворителю увеличивается, называются поверхностно – инактивными (ПИВ).

Способность вещества при адсорбции на границе раздела фаз снижать поверхностное межфазовое натяжение в зависимости от его концентрации в объеме называют поверхностной активностью. Поверхностная активность равна:

.

В случае адсорбции ПАВ g  0 и (d / dC)  0.

Снижение поверхностного натяжения  в результате адсорбции ПАВ на границе раздела жидкость – газ можно определить при помощи уравнения Шишковского:

, (26)

где A, B – эмпирические коэффициенты.

Пример 20.ПриТ=298 К поверхностное натяжение (σ) воды равно 72,75 мДж / м2

Для 0,05 М раствора уксусной кислоты поверхностное натяжение равно 71, 2 мДж / м2. Рассчитать адсорбцию уксусной кислоты на поверхности раствора.

Решение. Воспользуемся уравнением Гиббса:

.

Заменим производную dσ / dCотношением Δσ / ΔC, так как по условию дано только два значения поверхностного натяжения. Тогда:

g=(Δ σ / ΔС) =(71,2 – 72,75). 10– 3/ 0,05.103= 31.10– 6(Дж.м) / моль

После подстановки в уравнение Гиббса получим:

a= 0,05.103· 31· 10 - 6/ 8,314· 298 = 0,626· 10 - 6моль / м2

Пример 21.По приведенным результатам исследования адсорбции пропана на активном угле, проведенного при 200С, составьте уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра и определите удельную поверхность угля. Площадь сечения молекул пропана принять равной

1,86 .10– 19м2.

p(С3Н8), Торр

1,0

10,0

50,0

100

400

700

a, моль/кг

0,086

0,673

1,705

2,045

2,568

2,617

Решение. Воспользуемся линейной формой уравнения Ленгмюра в виде:

.

Составляем вспомогательную таблицу

p , Торр

1,0

10,0

50,0

100

400

700

p / a, Торр . моль – 1 . кг

11,628

14,859

29,326

48,900

155,763

267,482

Данные таблицы представим в виде графика p / a = f (p). Угловой коэффициент равен , а по отрезку, отсекаемому на оси ординат, определяется величина. Получаем следующие результаты:;b = 0,033.

Более точные значения параметров иK получаются при статистической обработке данных, например, методом наименьших квадратов. Вычисляем удельную поверхность:

S уд = a S 0 N A = 2,74 моль/кг . 1,86.10– 19м2 .6,022.1023моль– 1= 30,7 .10 4м 2 /кг.

Задачи

202. При изучении адсорбции уксусной кислоты на угле при 25 0С были получены следующие данные:

С, ммоль/ см3

0,018

0,031

0,062

0,126

a, ммоль/г

0,467

0,624

0,801

1,11

Определить графически константы в уравнении изотермы адсорбции Фрейндлиха.

203. При изучении адсорбции уксусной кислоты на угле при 25 0С были получены следующие данные:

С, ммоль/ см3

0,268

0,471

0,882

a, ммоль/г

1,55

2,04

2,48

Определить графически константы в уравнении изотермы адсорбции Фрейндлиха.

204. По уравнению Фрейндлиха вычислить равновесную концентрацию уксусной кислоты, если 1 г угля адсорбирует 3,76 ммоль СН3СООН. Константаk= 2,82;n=2,44.

205. При изучении адсорбции ацетона древесным активированным углем при 20 0С были получены следующие данные:

С, ммоль/л

2,34

14,65

88,62

177,69

268,97

a, ммоль/г

0,208

0,618

1,50

2,08

2,88

Определить графически постоянные уравнения изотермы Фрейндлиха и рассчитать количество ацетона, адсорбируемое 1 г угля при равновесной концентрации ацетона 125 ммоль/л.

206. Определить постоянные уравнения Фрейндлиха, используя следующие данные для адсорбции при 231 К углекислого газа на угле:

р (CO 2) . 10 – 3, Па

1,00

4,48

10,00

14,40

25,00

45,20

Адсорбция

a . 10 2, кг/кг

3,23

6,67

9,62

11,72

14,50

17,70

207. По приведенным данным об адсорбции СО2на угле марки С при (- 420С) определить константы в уравнении Фрейндлиха.

р(СО2), Торр

10,0

50,0

100

200

300

400

a, моль/кг

0,659

1,341

1,545

2,000

2,341

2,591

208. По приведенным результатам адсорбции амилового спирта на активном угле марки СКТ при 20 0С составить уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра и определить удельную поверхность угля. Площадь поперечного сечения молекул амилового спирта принять равной

1,6 .10– 19м2.

С, моль/ м3

0,94

1,83

3,10

5,60

11,05

a, моль/ кг

0,61

1,21

1,76

2,65

3,96

209. По приведенным данным для адсорбции уксусной кислоты на древесном угле при 25 0С составить уравнение изотермы адсорбции Фрейндлиха.

С, моль / л

0,05

0,10

0,50

1,00

1,50

a, г / г

0,04

0,06

0,12

0,16

0,19

210. По приведенным результатам адсорбции СО2на угле марки С при (- 420С) составить уравнение изотермы адсорбции Фрейндлиха.

р(СО2), кПа

1,00

4,48

10,0

14,4

25,0

45,2

a.103, моль/ кг

7,34

15,2

21,9

26,6

32,9

40,2

Задачи № 211- 214. По приведенным данным: а) построить изотерму адсорбции; б) проверить применимость уравнения Ленгмюра; в) если изотерма не соответствует уравнению Ленгмюра, составить уравнение адсорбции Фрейндлиха.

211. Адсорбция H2Sна цеолитеCaXпри 250С:

p (H2S), Торр

4

6

16

24

50

78

120

154

238

a, моль/кг

0,735

0,882

1,412

1,559

1,941

2,118

2,294

2,471

2,588

212. Адсорбция H2Sна цеолитеNaAпри 250С:

p (H2S), Торр

6

14

26

50

76

102

152

182

224

a, моль/кг

2,294

2,941

3,235

3,529

3,765

3,882

4,059

4,176

4,298

213. Адсорбция H2Sна цеолитеCaА при 250С:

p(H2S), Торр

4

6

12

24

50

76

102

152

224

a, моль/кг

1,588

2,824

3,294

3,765

4,176

4,353

4,471

4,647

4,706

214. Адсорбция H2Sна цеолитеNaХ при 250С:

p (H2S), Торр

6

14

24

50

78

120

154

182

234

a, моль/кг

2,824

3,824

4,118

4,471

4,706

4,882

5,000

5,059

5,235

Задачи №№ 215- 221. Вычислить адсорбцию (a) моль/м2данного вещества по приведенным данным поверхностного натяжения водного раствора и воды ():

№

Вещество

s раствора,

мДж / м 2

Концентра

ция, моль/л

s (Н2О),

мДж / м 2

Темпера

тура, К

215

CH3-CH2-COOH

Пропионовая кислота

55,6

0,5

71,96

298

216

CH3-(CH2)3-COOH

Валерьяновая кислота

52,1

0,5

75,62

273

217

CH3COOH

Уксусная кислота

71,2

0,05

72,75

293

218

CH3-CH2-COOH

Пропионовая кислота

67,7

0,05

72,75

293

219

NaCl

78,4

1,3

73,6

288

220

NaCl

76,9

2,34

73,6

288

221

CH3COOH

Уксусная кислота

70,9

0,125

73,6

288

Задачи № 222 - 226. При адсорбции указанных газов на активированном угле получены следующие результаты (см. табл.). Вычислить постоянные в уравнении Лэнгмюра для газовой адсорбции.

№

газ

Давление, Па

Количество адсорбированного газа

Т, К

222

Ar

31,9 . 103; 130,5 . 103; 290 . 103

5; 15,4; 24 мг/г

194,7

223

Kr

1,35 . 104; 2,63 . 104; 3,93 . 104

0,15; 0,27; 0,38 моль/г

273

224

CO

6,63 . 104; 7,94 . 104; 9,25 . 104

0,55; 0,62; 0,68 моль/г

273

225

CO2

4,8 . 10-1; 11,9 . 10-1; 20,6 . 10-1

0,122; 0,195; 0,255 моль/г

298

226

N2

2,8 . 10-1; 6,1 . 10-1; 17,3 . 10-1;

0,65; 0,75; 0,85 моль/г

293

Задачи № 227 - 229. Построить изотерму поверхностного натяжения, используя значения поверхностных натяжений водных растворов данных веществ при указанной температуре (см.табл.), если поверхностное натяжение воды при 293 К равно 72,75 м Дж / м2, а при 298 К – 71,96 м Дж/м 2. Определить графически адсорбцию вещества при указанной концентрации.

№

вещество

С (ПАВ), ммоль/л

s ж - г , м Дж/м2

С х,

ммоль/л

Т, К

227

Додецилсульфат натрия

2,16; 3,96; 6,6; 8,3; 9,3; 9,8; 10,2; 11,2

62; 54; 47; 43; 42; 41; 41; 41

5,0

293

228

Уксусноэтиловый эфир

7,8; 15,6; 31,2; 62,5; 12,5; 250; 500

69,6; 68; 65,8; 61,5; 56,2; 49,7; 41,5

20,0

298

229

Уксусноэтиловый эфир

5,3; 7,4; 19,5; 30,2; 60,7; 120,8;

63; 62,2; 60,1; 54,2; 48,5; 40,3

50,0

293

№ 230. По приведенным результатам массовой адсорбции пентанола на активированном угле при температуре 20°С построить изотерму адсорбции и составить уравнение адсорбции.

С, моль/м 3

0,94

1,83

3,1

5,6

11,05

a, моль/ кг

0,61

1,21

1,76

2,65

3,96

№ 231 - 236. Определить поверхностную активность вещества по указанным данным.

№

Вещество

s , мДж/м2

s (Н2О),

мДж/м 2

Т, (К)

С.ПАВ, моль/л

231

CH3-CО-O-C2H5

уксусноэтиловый эфир

68

71,96

298

15,6

232

CH3COOH уксусная кислота

71,2

72,75

293

0,05

233

CH3-CH2-COOH

пропионовая кислота

67,7

72,75

293

0,05

234

CH3-CH2-COOH

пропионовая кислота

55,6

71,96

298

0,5

235

CH3-(CH2)3-COOH

валерьяновая кислота

52,1

75,62

273

0,5

236

CH3COOH уксусная кислота

71, 2

72,75

293

0,125

237 - 240. Определить площадь занимаемую молекулой вещества (указанного в табл.) в насыщенном адсорбционном слое активированного угля.

№

Название вещества

a ¥ - предельная адсорбция

237

C3H7OH пропанол

5,3 . 10 - 10 (моль/см2)

238

CH3-CH-COOH изомасляная кислота

|

CH3

5,4 . 10 - 9 (кмоль/м2)

239

C6H5NH2 анилин

6,01 . 10 - 9 (кмоль/м2)

240

C5H11OH пентанол

5,3 . 10 – 10 (моль/см2)

ЛИТЕРАТУРА

1. Краткий справочник физико-химических величин / Под. ред. А. А. Равделя и А.М. Пономаревой. Л.: Химия, 1983.

2. Д. Сталл, Э. Вестрам, Г. Зинке. Химическая термодинамика органических соединений. М.: Мир, 1971.

3. Физическая химия т.1, т. 2 / К.С. Краснов, Н.К. Воробьев, И. Н. Годнев и др. М.: Высшая школа, 1995.

4. И.В. Кудряшов, Г.С. Каретников «Сборник примеров и задач по физической химии»,1991, Москва, «Высшая школа».

5. Задачи по физической химии / В. В. Еремин, С. И. Каргов, И. А. Успенская и др. – М.: Изд-во «Экзамен», 2003. – 320 с.

6. Бадаев Ф. З., Батюк В. А. Цепные реакции. Москва, Изд-во МТГУ, 1995.

7. Химическая термодинамика. Методические указания. / Е. Е. Гончаренко, В. А. Батюк, Н. М. Елисеева и др. М.: Изд-во МГТУ, 1994.